北京航空航天大学，Science！

研究背景

磁电传感在柔性传感器领域具有巨大潜力，能够以极低的功耗实现电场和磁场的精确检测。相较于传统的霍尔效应和磁阻传感器，磁电传感具有低功耗和高成本效益的优势。其中，磁电容效应因其低功耗和微型化潜力，在设备集成方面备受关注。

关键问题

然而，磁电传感的研究主要存在以下问题：

1、磁电效应弱且整体性能有限

磁电传感器的实际应用一直受限于其固有的弱磁电效应以及整体性能不足，特别是在机械应变条件下。在已报道的磁电复合材料中，典型的磁电容系数仍然很低（通常 <1%），这归因于弱应变耦合和界面能量传输效率低下。

2、现有铁磁组分多为刚性无机材料

当前的铁磁组分通常是刚性无机材料，这使得结晶增强型复合策略仅限于刚性超晶格。将柔性聚合物引入复合材料虽然能增加多功能性，但聚合物-无机界面处这种高能量耗散会严重损害磁电效应，因此制造具有强磁电耦合的柔性复合材料仍然具有挑战性。

新思路

有鉴于此，北京航空航天大学刘明杰、赵立东、李景等人通过界面共结晶策略制备了坚固的磁电聚合物-无机纳米复合材料。通过在二硒化钒(VSe₂)单层上利用重氮化学，在铁磁性VSe₂和铁电性聚偏氟乙烯( PVDF )纳米晶之间创建了一个亚分子平面界面。这种高度结晶的界面具有很少的可移动聚合物链，因此限制了能量的耗散并增强了界面能量转移。可扩展的复合薄膜表现出优异的磁电性能，其磁电容系数为23.6 %。这些薄膜可以实现超快的磁电检测，与传统传感器相比，速度提高了10倍，并为将热电制冷器等多功能材料集成到可穿戴设备中提供了机会。

技术方案：

1、制备了磁电超晶格

作者通过界面共结晶开发出坚固的磁电纳米复合材料。VSe₂单层经表面官能团修饰后，在PVDF基体中形成亚分子级平坦界面，促进PVDF结晶成极性β相，实现了优异的混溶性和界面匹配。

2、制备了1T相VSe₂单层膜

作者通过电化学剥离方法制备了1T相VSe₂单层膜，官能化后的VSe₂-COOH纳米片在室温下仍保持铁磁性。

3、研究了超晶格薄膜的铁电和磁性特性

结果表明PVDF-VSe₂-COOH薄膜展现出优异的铁电和压电特性，压电系数达101.4 pm V⁻¹，居里温度提升至156.9°C，漏电流低。

4、展示了磁电传感器的应用

作者将PVDF-VSe₂-COOH薄膜应用于人工皮肤、水下超声检测和可穿戴MC传感器，MC系数高达23.6%，性能卓越且稳定，可与热电冷却器集成。

技术优势：

1、创新性地实现了界面共结晶策略，构建了高效率的柔性磁电复合材料

作者通过精妙的界面共结晶策略，利用重氮化学在VSe₂单层表面实现了功能化，并与PVDF纳米晶体形成了亚分子级的平坦界面。这种设计有效抑制了聚合物链的移动引起的能量耗散，显著提升了界面能量传输效率。

2、在柔性可穿戴传感器中实现了创纪录的磁电性能和超快响应速度

研究成果展示了高达23.6%的磁电容系数，远高于现有磁电材料的典型值（通常<1%）。同时，其超快响应速度比传统传感器快了近10倍。

技术细节

磁电超晶格的制备

作者通过铁磁无机单层（VSe₂）和铁电聚合物（PVDF）之间的界面共结晶，开发出坚固的磁电纳米复合材料。表面官能团（如对羧基苯官能团）修饰的VSe₂单层（VSe₂-COOH）在聚合物基体中形成亚分子级平坦界面，促进PVDF结晶成极性β相。这种界面设计解决了表面能引起的皱缩和聚集问题，实现了VSe₂-COOH与PVDF基体的优异混溶性（高达25 wt%），并为PVDF提供了成核位点。通过纳米限制去湿方法，PVDF在VSe₂-COOH纳米片上实现纳米结晶，形成大规模层状超晶格薄膜。这种结构增强了机械和磁电性能，产生了巨大的磁电效应和卓越的传感性能。XRD和FTIR表征显示，VSe₂-COOH纳米片含量增加使PVDF的β相转化率高达86.8%。

图  高强度磁电薄膜的制备

铁磁VSe₂单分子膜的表面功能化

作者通过电化学剥离方法制备了1T相VSe₂单层膜，具有原子级厚度和室温铁磁性。拉曼光谱、XRD和XPS表征显示其结晶度高且化学状态稳定。为解决2D纳米片在聚合物基质中的分散问题，采用重氮化学对VSe₂单层进行官能化，使其在PVDF前体溶液中稳定分散。FTIR和XPS验证了对羧基苯官能团的成功接枝，热分析表明官能团与VSe₂的结合强度高。官能化后的VSe₂-COOH纳米片在室温下仍保持铁磁性，磁滞回线显示其饱和磁化强度与未修饰VSe₂相当，表明表面官能化对VSe₂的磁性影响较小。这些研究为基于VSe₂的聚合物复合材料的设计和应用提供了重要基础。

图  VSe₂单分子层、VSe₂-COOH单分子层和PVDF-VSe₂-COOH超晶格的结构表征

PVDF-VSe₂-COOH超晶格薄膜

通过重氮化学对VSe₂单层进行表面官能化，引入羧基官能团以调节其在PVDF基质中的溶解性，实现了高达25wt%的稳定分散。这种高分散性促进了溶液可加工性，通过滴铸法可在大面积基底上形成复合膜。流延过程中的剪切流动力使VSe₂-COOH纳米片在膜中均匀取向，SAXS和偏光显微镜观察显示了其各向异性结构和高取向度。随着VSe₂-COOH含量增加，层间距减小至3.47 nm， SEM和TEM图像进一步证实了均匀层状结构和超晶格的形成。原位XRD揭示了PVDF-VSe₂-COOH膜的形成过程，VSe₂-COOH纳米片的排列增强，PVDF在受限条件下结晶成极化β相，XRD和FTIR分析显示25%填料含量时PVDF的β相转化率高达86.8%。差示扫描量热法和原子力显微镜（AFM）分析表明VSe₂-COOH填充有效提高了结晶度。

图  PVDF-VSe₂-COOH超晶格的晶化及界面相互作用表征

超晶格薄膜的铁电和磁性特性

作者利用PFM研究了PVDF-VSe₂-COOH薄膜的局部铁电和压电特性。该薄膜展现出标准的180°翻转滞回环和蝴蝶形振幅环，表明其具有纳米尺度的铁电和压电特性。其压电系数（d₃₃）为101.4 pm V⁻¹，优于大多数聚合物基压电材料。尽管VSe₂具有优异导电性，但该薄膜介电损耗低，漏电流密度小于2×10⁻⁶ A cm⁻²。VSe₂-COOH纳米片的填充分散提高了复合材料的居里温度至156.9°C，增强了β相结晶。其压电电压系数（g₃₃）为1180.6×10⁻³ V m N⁻¹，超越其他压电软材料。VSe₂-COOH纳米片在室温下具有铁磁性，掺入PVDF后呈现典型磁滞回线，且最大磁化强度随含量增加而提升。对比PVDF-VSe₂-COOH和PVA-VSe₂-COOH薄膜的磁化强度变化，证实了PVDF-VSe₂-COOH薄膜中存在直接的磁电耦合效应。理论研究表明，氢键在稳定铁电相中起关键作用，通过界面应变介导耦合实现高效磁电转换，亚分子级平坦界面最大限度减少了能量损失，支持高效能量传输。

图  纳米复合材料的铁电性能

磁电传感器的应用

作者研究了PVDF-VSe₂-COOH薄膜的机械-电响应特性，展示了其在传感器和能量收集器中的压电特性和应用潜力。该薄膜在5至30 N的施加力范围内表现出优异的线性度和高灵敏度，响应时间约为1毫秒，比传统力传感器快约10倍。基于PVDF-VSe₂-COOH的器件在连续操作下表现出稳定的机械-电响应和快速的压电响应速率。该薄膜被应用于人工皮肤，用于健康和运动检测，能够监测从身体运动到细微变形的生理信号。此外，它在水下超声波检测中表现出卓越性能，并被用于概念验证型可穿戴磁电容（MC）传感器，MC系数高达23.6%，远高于典型ME材料的6.5%。这种高MC值和柔韧性使其在可穿戴设备中具有显著优势，能够精确检测磁场，性能与标准高斯计相当。该传感器在长期操作和不同化学条件下表现出卓越的稳定性，并且能够与热电冷却器集成，增强测量稳定性，有望应用于下一代可穿戴电子产品及其与热电器件的无缝集成，从而增强磁电传感器设计中的热管理。

图  磁电式传感器的广泛应用

展望

总之，本研究开发了一种柔性磁电（ME）聚合物-无机传感器，由VSe₂-COOH铁磁单层膜和PVDF铁电纳米晶层组成。通过纳米限制去湿诱导有序纳米晶化方法，实现了面内堆叠的VSe₂-COOH纳米片与PVDF层压体的完美结合，形成ME超晶格薄膜。该薄膜具有优异的柔韧性、机械性能和ME性能，适用于可穿戴ME传感器，如磁电冷却器等多功能集成，为下一代可穿戴电子设备的热管理提供了新思路。

参考文献：

Binbin He, et al. Strain-coupled, crystalline polymer-inorganic interfaces for efficient magnetoelectric sensing. Science, 2025, 389(6760):pp. 623-631.

DOI: 10.1126/science.adt2741

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt2741#tab-contributors

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